利用金属-真空-超导结进行电子隧穿制冷的理论分析

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对于凝聚态物理,低温、特别是极低温,是研究凝聚态的诸多量子特性的重要条件。目前,商用制冷机已经可以实现从室温到4K以下的连续调节,但是对于1K以下极低温的获得,仍需借助于另外的方法,这些方法有:H<,e3>、H<,e4>减压蒸发制冷,H<,e3>绝热压缩制冷,稀释制冷,绝热去磁制冷等。这几种获得极低温的制冷方法结构复杂、机构庞大、噪声大并且运行成本高。本论文就是要探讨一种获取超低温的较简单的途径——利用NVS结进行电子隧穿制冷。 金属一真空一超导体隧道结简称NVS结,它由冷端——正常金属层、真空层和热端——超导金属层(超导能隙为△)三者组成。利用NVS结进行电子隧穿制冷的原理比较简单:在最优化的直流偏压V<,bias>(eV<,bias>=△)的作用下,冷端金属的费米能级被抬高到恰好和热端超导能隙的上边缘齐平。冷端费米能级以上的电子(动能大的电子)较容易隧穿过真空势垒,到达热端,但是因为超导能隙的限制,费米能级以下的电子(动能小的电子)的隧穿几率将大大减小,又因为冷端补充进来的是平均电子(包括动能大的电子和动能小的电子),所以导致冷端电子的温度被降低;而且通过电声耦合,晶格温度也被冷却下来,最终冷端的温度得以降低。 本论文计算和分析了利用NVS隧道结从液氦温度(4.2K)开始制冷的可行性,并讨论了不同的物理参量对制冷功率的影响。计算结果表明:当外加偏压取最优化的值V<,bias>(eV<,bias>=△)时,真空层的宽度、超导能隙、金属的脱出功等参数对制冷功率都有很大的影响。下面简要说明: 1、制冷功率的大小随真空层宽度d的减小近似呈指数增长的关系; 2、超导能隙增大,制冷功率将增大,但是制冷效率随超导能隙的增大而减小,这说明超导能隙的选择有一个优化值; 3、材料的脱出功越小,制冷效果越好。 利用NVS隧道结的制冷方法主要有两大优点:首先,可以获得一个很宽的温度范围,在4K-1mk之间都有可观的制冷量;其次,相对于传统的制冷方法而言,这种方法是直接冷却电子系统,这对于研究电子的性质非常重要。但是,要想实现其在低温实验中的应用,有一些关键性的问题亟待解决。
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